[发明专利]一种钛及钛合金表面自润滑耐磨复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于表面处理技术领域，涉及钛合金表面涂覆强化处理，具体涉及一种钛及钛合金表面自润滑耐磨复合涂层及其制备方法。

背景技术

人工关节是一种为模拟人体环境而制作的植入性假体，可代替损伤关节，缓解关节疼痛，恢复关节正常功能。人工关节材料是医用植入器件，不仅要求生物相容性好，还要有足够好的耐磨性，使其在能够在人体环境中正常工作，同时能使用很长时间而不发生磨损。

钛及钛合金具有密度低、耐蚀性好、强度高的优点，在航空航天、化工、生物材料等方面得到了广泛的应用。虽然钛合金经热处理后的抗拉强度高达900～1000MPa，可与高强钢相媲美，但是硬度较低，约为高强钢的2/3(高强钢的硬度为HV500～600)，并且摩擦系数较大(0.5～0.7)，耐磨损性能差，因此严重限制了钛合金的应用范围。传统的表面涂覆处理工艺，如电镀，气相沉积，离子注入等工艺，主要通过提高钛及钛合金的表面硬度来改善其摩擦性能，涂层不具有润滑性能且耐蚀性能不足。

近年来，等离子电解氧化(Plasma Electrolytic Oxidation，PEO)技术，又称为微弧氧化技术，作为一种可以快速实现金属表面陶瓷化转变的技术，在铝、镁、钛、锆等阀金属及其合金的表面处理中得到应用。该技术可以显著提高钛合金的表面硬度和耐磨性，但是，形成的氧化陶瓷层表面粗糙且多孔，在无润滑条件下摩擦系数较高，容易造成滑动件及其配副件的磨损，不利于实际应用。

专利CN103103597A在PEO涂层表面，采用机械涂覆、溅射、气相沉积等处理方法沉积一层低摩擦的外层(石墨、MoS2)，有效的降低PEO涂层的摩擦系数，改善其摩擦性能，并且在润滑外层发生磨损后，PEO涂层表面自生微孔中储存的润滑剂仍可以补充到滑动表面，继续提供润滑，但是表面的涂层成分复杂，成本较高。专利CN101280450A提供了一种具有很好硬度和自润滑性能的涂层，但其非固体润滑介质，导致适用范围，尤其是温度范围，受到了很大的限制。专利CN103498181A提供了一直固体自润滑介质涂层，但其高分子涂层与陶瓷涂层之间的结合较差，且涂层摩擦系数依然较高，在0.2左右。而钛及钛合金的表面涂覆技术中，不仅要求具有很好的硬度，宽泛的使用温度，也要求具有更好的结合强度及更低的摩擦系数。

发明内容

本发明针对钛及钛合金表面硬度低、摩擦系数高引起的耐磨性能差等问题，提供一种结合强度高和表面硬度高、摩擦系数低的钛及钛合金表面自润滑耐磨复合涂层及其制备工艺。

本发明的技术方案是：

一种钛及钛合金表面自润滑耐磨复合涂层的制备方法，首先打磨钛及钛合金部件表面，并清洗去除表面油污和杂质等，再对洁净的钛及钛合金进行激光表面织构化处理，之后进行等离子电解氧化处理，制备氧化陶瓷涂层，然后在氧化陶瓷涂层的表面及织构结构中引入超高分子量聚乙烯和石墨烯的混合物，经热处理，使超高分子量聚乙烯与石墨烯混合物充分固化，最终制得钛及钛合金表面自润滑耐磨复合涂层，具体步骤如下：

步骤1，打磨钛及钛合金部件表面，将打磨后的钛及钛合金浸入含硝酸20～30g/L和氢氟酸10～15g/L的溶液中，表面氧化层腐蚀完全后，在乙醇中超声处理，水洗，干燥，得到预处理后的钛及钛合金；

步骤2，采用Nd:YAG脉冲激光打孔器在预处理后的钛及钛合金表面打圆孔，孔径为0.05～0.2mm，面积率为5％～25％，得到表面织构化的钛及钛合金；

步骤3，对表面织构化的钛及钛合金进行等离子电解氧化处理，以铝酸钠-磷酸钠体系或硅酸钠-磷酸钠体系为电解液，等离子电解氧化处理的参数为电流密度1～2A/dm²，电压450V～550V，占空比20％～25％，频率400～800Hz，反应时溶液温度低于5℃；

步骤4，按超高分子量聚乙烯与石墨烯的质量比为200:1～100:1，将超高分子量聚乙烯与石墨烯超声分散在十氢萘中，在150～160℃下搅拌溶解，其中，超高分子量聚乙烯的浓度为0.015～0.03g/mL；

步骤5，将等离子电解氧化处理后的钛及钛合金烘干，在90～100℃下浸入120～150℃的超高分子量聚乙烯和石墨烯的热溶液中，提拉成膜，提拉速率为1～5mm/s；

步骤6，将提拉处理后的钛及钛合金加热至100～120℃，保温18～24h，取出后自然冷却至室温，得到钛及钛合金表面自润滑耐磨复合涂层。

步骤1中，所述的打磨可采用砂纸、砂轮或抛光度等方式打磨。